Systemsimulation / Digitaler Zwilling mit C#

Dies ist das Repository für die Lehrveranstaltung Systemsimulation / Digitaler Zwilling (Bachelor Automatisierungstechnik, 5. Semester, 3 ECTS = 75 h, 10 Termine à 150 Min.) an der Fachhochschule Oberösterreich (Campus Wels), geleitet von Prof. Dr. Georg Hackenberg.

Der Kurs vermittelt die mathematische Modellierung, numerische Simulation und Echtzeit-Visualisierung technischer Systeme in C# / .NET / WPF:

1. Block 1 – Echtzeit-Visualisierung (Kapitel 01–05): Hardwarenahe 2D-Rastergrafik (WriteableBitmap), 2D-Vektorgrafik (WPF Canvas & DrawingVisual), Echtzeit-Telemetrie (ScottPlot 5) & topologische Graphen (MSAGL) sowie 3D-Echtzeitrendering mit SharpGL (Szenengraphen & Kugelkoordinaten-Orbitkamera).
2. Scharnier – Parallelisierung (Kapitel 06): Multi-Core-Parallelisierung mit der Task Parallel Library (Parallel.For), Thread-Entkopplung und allokationsfreie Speicherstrategien.
3. Block 2 – Physikalische Simulationsmodelle & Synthese (Kapitel 07–11): Statische Systeme (2D/3D-Fachwerke via Math.NET Numerics & Cholesky-Zerlegung), kontinuierliche dynamische Systeme (ODE-Solver, S-Functions, Anti-Windup), ereignisdiskrete Systeme (DES, Monte-Carlo, Welford-Akkumulator) sowie hybride Systeme (Nullstellensuche via Bisektion, Zeno-Schutz, FMI/FMU & Virtuelle Inbetriebnahme).

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Repository-Struktur

• ./Konzept/ – Die 3 vorlesungsübergreifenden Rahmenkonzept-Dokumente:
  1. 01_Didaktik_und_Lernziele.md – Zielgruppenprofil, Lernziele (Bloom-Kaskade), Motivation (Pick your Track), Low Floor, High Ceiling und 150-Min.-Taktung.
  2. 02_Semestermatrix_und_Abhaengigkeiten.md – Semester-Übersichtsmatrix, Kapitel-Abhängigkeitsmatrix, 2-Stufen-Hausübungsmodell & Goldene Architektur-Regel.
  3. 03_Beurteilung_und_Pruefungen.md – 5-stufige Lernfortschrittskontrolle, Benotungsmodell (40 % Quiz / 40 % Hausübungen / 20 % Showcase) und AI Honor Code.
• ./Kapitel/ – Die 12 kapitelzentrierten Modulordner (00_Prolog bis 11_Epilog), in denen jeweils alle Artefakte eines Kapitels gebündelt sind:
  • README.md & Konzept.md – Kompakte Übersicht und autarker didaktischer Kapitel-Steckbrief.
  • Folien/ – MARP-Vorlesungsfolien (Folien.md), Diagramme/*.svg, Illustrationen/, Screenshots/ und Tafelbilder/.
  • Beispiele/ (Kap. 02–05, 07–10) – Lauffähige C#-Vorlesungsbeispiele, HiDPI-Plotgeneratoren und Unit-Tests (Beispiele.sln).
  • Uebung/ (Kap. 01–10) – Zweistufiges Aufgabenblatt.md und kompilierbare C#-Projektvorlage (./Vorlage/ inkl. Unit-Tests).
  • Quiz/ (Kap. 03, 05, 08, 10) – Die 10 modularen Test-Markdown-Quelldateien (Test_01_Vorbereitung.md bis Test_10_Pruefung.md).
  • Moodle/ (Kap. 00–11) – Komplette Moodle-Upload-Mappe pro Kapitel: Text.md, Banner.jpg sowie alle kompilierten Export-Dateien (*_Folien.pdf, *_Aufgabenblatt.pdf, Quiz_0X_Termin_YY.xml).
• ./Skripte/ – Node.js-Skripte für Build Management (export_to_pdf.js, moodle_xml_builder.js) und Quality Control (lint_slides_dom.js, lint_section_slides.js, lint_variable_consistency.js, audit_svg_and_charts.js).

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Kapitel & Termine im Überblick

Kapitel	Kapitel-Ordner & Vorlesungsfolien	Übungsmodul (Uebung/)
	Kapitel 00: Prolog Organisatorisches, Lernziele, Pick your Track und Überblick über die Semesterstruktur (Folien.md).	– (Teil von Termin 01)
	Kapitel 01: Kinematik & Euler Modelltaxonomie, analytische vs. numerische Lösung, Euler-/Heun-Integration und Digitaler Zwilling (Folien.md).	Aufgabenblatt 01
	Kapitel 02: 2D-Pixelgrafik & FDM Direkte Rastergrafik mit WriteableBitmap, Stride-Speicherlayout, Farbtabellen (LUTs) und 2D-FDM-Wärmeleitung (Folien.md).	Aufgabenblatt 02
	Kapitel 03: 2D-Vektorgrafik & Canvas Geometrische Vektorgrafik mit WPF Canvas, Welt-zu-Bildschirm-Transformationen und DrawingVisual-Pipeline (Folien.md).	Aufgabenblatt 03
	Kapitel 04: Telemetrie & ScottPlot Echtzeit-Telemetrie mit ScottPlot 5 (Ringpuffer), MVVM-Entkopplung und topologische Graphen mit MSAGL (Folien.md).	Aufgabenblatt 04
	Kapitel 05: 3D-OpenGL & Szenengraph 3D-Rendering mit SharpGL, hierarchische Szenengraphen, parametrische Körper und Orbit-Kamera (Folien.md).	Aufgabenblatt 05
	Kapitel 06: Multithreading & TPL Multi-Core-Parallelisierung mit Parallel.For, Race-Condition-Schutz, Double-Buffering und Thread-Entkopplung (Folien.md).	Aufgabenblatt 06
	Kapitel 07: Statik, FEM & Cholesky Ideale und elastische 2D/3D-Fachwerke, Steifigkeitsmatrizen $\mathbf{K}\vec{u}=\vec{f}$ und Cholesky-Zerlegung (Math.NET) (Folien.md).	Aufgabenblatt 07
	Kapitel 08: DGL & S-Functions Zustandsraum & DGLs, Euler/Heun/RK4, Steifheit, algebraische Schleifen, S-Functions und Anti-Windup-Regelung (Folien.md).	Aufgabenblatt 08
	Kapitel 09: Diskrete Systeme & DES Ereignisdiskrete Simulation (DES, PriorityQueue), Stochastik, paralleles Monte-Carlo und Welford-Akkumulator (Folien.md).	Aufgabenblatt 09
	Kapitel 10: Hybride Dynamik & Synthese Kopplung kontinuierlicher DGLs mit State Events, Vorzeichenwechsel-Bisektion, Zeno-Effekt und hybride S-Functions (Folien.md).	Aufgabenblatt 10
	Kapitel 11: Epilog & Synthese Vergleichende Modell-Taxonomie, Multi-Fidelity-Simulation, Co-Simulation (FMI/FMU) und Virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) (Folien.md).	– (Teil von Termin 10)

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Qualitätssicherung, Build & PDF-Export

# 1. Vollständige Validierung aller Foliensätze (DOM-Layout, Abschnittsschema, SVGs, Variablen-Konsistenz)
npm run lint

# 2. Gezielte Prüfung eines einzelnen Kapitels (z.B. Kapitel 05)
npm run lint:slides:05
npm run lint:sections:05
npm run lint:svg:05
npm run lint:variables:05

# 3. Druckreife PDFs & Moodle-Master-XMLs direkt in Kapitel/*/Moodle/ erzeugen
npm run export:pdf
npm run export:moodle